Claudio Vittori, Yardımcı Müdür | Tedarik Zinciri ve Teknoloji Grubu | E-Mobilite Bileşenleri Araştırması, S&P Global Mobility ve Srikant Jayanthan, Kıdemli Analist | Tedarik Zinciri ve Teknoloji Grubu | S&P Global Mobility

S&P Global tarafından AutoTechInsight

Otomotiv endüstrisi yavaş ama istikrarlı bir şekilde elektrikli bir geleceğe doğru ilerliyor. İçten yanmalı motorlardan (ICE) elektrikli araçlara geçişin hızını belirleyecek birkaç faktör söz konusu. Bunlardan en önemlilerinden biri, şüphesiz elektrikli araçların performansı, özellikle de gerçek sürüş koşullarında sunacağı menzil.

Elektrikli araca daha büyük bir batarya takmak menzili artıracaktır, ancak bu, aracın maliyetini ve ağırlığını önemli ölçüde artıracak ve elektrikli araçların lehine bir fark yaratmayacaktır. Bu sorunun çözümü, mevcut gücü en uygun şekilde kullanarak aracın performansını artırmaktır. Bunun yollarından biri, verimli bir çekiş invertörü kullanmaktır.

İnvertörler, elektrikli araçlarda bataryadan çekiş motorlarına güç aktarımını sağlayan önemli bir güç elektroniği bileşenidir. Bu yüksek gerilimli invertörlerin temel işlevi, bataryadan aldığı doğru akım (DC) gücünü alternatif akıma (AC) dönüştürmek ve çekiş motoruna aktarmaktır.

Alternatif tahrik araçlarının satışlarındaki artışla birlikte, yüksek voltajlı invertörlere olan talep de önemli ölçüde artmıştır. Bu talebin, elektrikli araçların üretimiyle orantılı olarak artması beklenmektedir.

Batarya elektrikli araçlar (BEV), plug-in hibrit elektrikli araçlar (PHEV), yakıt hücreli elektrikli araçlar (FCEV), tam hibritler ve hafif hibritleri içeren elektrikli hafif ticari araç segmentinden invertörlere olan talep, 2021 yılında yaklaşık 21,5 milyon adet olmuştur. Tahminlerimize göre, bu talep yıllık bileşik büyüme oranı (CAGR) %21 ile artarak 2033 yılında yaklaşık 118,7 milyon adede ulaşacaktır.

Elektrifikasyon seviyesi ve araç satış segmentine bağlı olarak, şu anda EV'lerde farklı anahtarlama teknolojisi ve yarı iletken malzeme ile farklı tipte invertörler kullanılmaktadır. Bunlar arasında metal oksit yarı iletken alan etkili transistörler (MOSFET'ler) ve yalıtımlı geçitli bipolar transistörler (IGBT'ler) gibi silikon bazlı anahtarlama cihazlarına sahip invertörler ve geniş bant aralığı malzemesi (silisyum karbür (SiC) veya galyum nitrür (GaN) bazlı anahtarlama cihazları bulunmaktadır.

Elektrikli araç segmentinde invertör teknolojisinin geleceği

Silikon bazlı (Si) MOSFET, otomotiv endüstrisinde kullanılan en eski anahtarlama teknolojilerinden biridir. Si MOSFET invertörler çoğunlukla hafif hibritlerde kullanılır, ancak düşük voltajlı hibritlerde de bazı kullanım alanları vardır. MOSFET'lerin kaynak, drenaj ve geçit terminalleri olmak üzere üç terminali vardır. MOSFET'ler, 100 V'a kadar düşük voltajlı uygulamalarda ve 20 kW'lık tepe gücünde daha verimlidir. Bunun nedeni, daha düşük açık durum kayıpları ve düşük voltaj düşüşleri ile yüksek frekansta çalışabilme özelliğidir.

Ancak, Si MOSFET'lerin daha yüksek iletkenlik kayıplarına sahip olduğu bilinmektedir, bu da sistem voltajı arttıkça Si MOSFET invertörlerin verimliliğini düşürmektedir. Bu dezavantaj nedeniyle, Si MOSFET'ler, otomobil üreticilerinin daha yüksek voltajlı araçlar geliştirmeleriyle birlikte tercih edilmeyebilir. Yüksek voltajlı araçların (450V ila 1.000V) sayısının, 2021'de %23 olan toplam elektrikli araçların %39'unu 2033'te oluşturması beklenmektedir.

Si IGBT invertörler, hafif araç segmentinde en yaygın kullanılan invertörlerdir ve pazar payı %68'in üzerindedir. IGBT invertörlere olan talep, 2021 ile 2033 yılları arasında yaklaşık %12 CAGR ile büyüyecek ve 57 milyon adedin üzerine çıkacaktır. Bu adedin %52'sinden fazlası BEV'lerde kullanılacaktır.

Şu anda, IGBT invertörler en çok tam hibrit araçlarda kullanılmaktadır, ancak on yılın sonunda, tamamen elektrikli araçlara olan talep arttıkça, BEV'ler IGBT invertörler için önde gelen segment olacaktır. IGBT, MOSFET'lerin 600V'a kıyasla 1200V'dan fazla nominal değere sahip olması nedeniyle tam hibrit ve BEV'lerde çok daha verimli olduğu kanıtlanmıştır.

IGBT invertörler, 35 kW ile 85 kW arasındaki çekiş motorlarına güç sağlamak için en uygun seçenek olup, giriş ve orta seviye BEV'ler için ideal bir seçimdir. Si MOSFET'lere kıyasla, IGBT'ler daha düşük anahtarlama frekansına sahiptir ancak elektrostatik deşarja karşı daha yüksek toleransa sahiptir. IGBT'ler ayrıca daha yüksek voltajlarda daha düşük iletim kayıpları sunar.

IGBT invertörler mevcut nesil elektrikli araçlar için yeterince verimli olsa da, silikon malzemenin sınırlamaları nedeniyle verimlilik talebinin artmasıyla birlikte bazı zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır. Sonuç olarak, otomotiv endüstrisi, daha iyi özellikler sunan SiC tabanlı invertörlere doğru giderek daha fazla yönelmektedir. SiC, silikonun 1,1 eV'lik bant aralığına kıyasla 3 elektron volt (eV) bant aralığına sahip geniş bant aralıklı bir malzemedir. Bu, çok daha yüksek voltajlarda ve daha yüksek sıcaklıklarda çalışmayı mümkün kılar.

Ancak, SiC invertörler hala nispeten pahalıdır ve premium segment BEV'ler için daha çok tercih edilmektedir. Bununla birlikte, maliyet düştükçe, yüksek verimlilikleri nedeniyle hibrit araçlarda kullanımları da artacaktır. 2033 yılına kadar, otomobil üreticileri tarafından kullanılan SiC invertörlerin %20'den fazlası tam hibrit araçlarda kullanılacaktır. Hafif araç segmentinden SiC invertörlere yönelik küresel talebin, 2021 ile 2033 yılları arasında %32,6'lık bir YBBO ile yaklaşık 45 milyon adede çıkması beklenmektedir.

GaN, 3,4 eV'lik daha yüksek bant aralığı nedeniyle otomotiv sektöründe değerlendirilen bir başka geniş bant aralığı malzemesidir. GaN, belirli voltaj mimarilerinde SiC'den daha yüksek verimliliğe sahiptir. GaN invertörler henüz ticari olarak satılan elektrikli araçlarda kullanılmamaktadır ve ancak daha sonraki bir aşamada piyasaya çıkması beklenmektedir. GaN teknolojisi, yüksek voltajlı uygulamalarda (~400V+ araç mimarileri) uygulanabilirliği açısından hala bazı teknik kısıtlamalarla karşı karşıyadır ve bu kısıtlamaların çözülmesi gerekir ki ana akım bir teknoloji haline gelebilsin.

Elektrikli araçlarda GaN kullanımının 2027'den önce başlaması beklenmiyor. 2033 yılına kadar, GaN invertörler hafif araç segmentindeki invertör talebinin %3'ünden fazlasını oluşturacak. BEV'ler, %98'in üzerinde bir payla GaN invertörlerin en büyük kullanıcısı olacak. Tam hibritler ise geri kalan talebi karşılayacak.